Thermodinamika

(1)

(2)

ii

UNDANG-UNDANG REPUBLIK INDONESIA NO 19 TAHUN 2002

TENTANG HAK CIPTA

PASAL 72 KETENTUAN PIDANA SAKSI PELANGGARAN

1. Barangsiapa dengan sengaja dan tanpa hak mengumumkan atau memperbanyak suatu ciptaan atau memberi izin untuk itu, dipidana dengan pidana penjara palng singkat 1 (satu) bulan dan/atau denda paling sedikit Rp 1.000.000,00 (satu juta rupiah), atau pidana penjara paling lama 7 (tujuh) tahun dan/atau denda paling banyak Rp 5.000.000.000,00 (lima milyar rupiah)

2. Barangsiapa dengan sengaja menyerahkan, menyiarkan, memamerkan, mengedarkan, atau menjual kepada umum suatu ciptaan atau barang hasil pelanggaran Hak Cipta atau Hak Terkait sebagaimana dimaksud dalam ayat (1), dipi-dana dengan pidipi-dana penjara paling lama 5 (lima) tahun dan/ atau denda paling banyak Rp 500.000.000,00 (lima ratus juta rupiah).

`Ìi`ÊÜÌÊÌiÊ`iÊÛiÀÃÊvÊ

(3)

THERMODINAMIKA

Oleh

Dr. Ambiyar, M. Pd

Penerbit

(4)

iv

Ambiyar Thermodinamika

Editor, Tim Editor UNP Press Penerbit UNP Press, Padang, 2009

1 (satu) jilid ; A5 (148X210 mm) 214 hal.

ISBN: 978-979-8587-94-8 1. Teknik, 2. Thermodinamika

1.UNP Press

THERMODINAMIKA

Hak Cipta dilindungi oleh undang-undang pada Penulis Hak penerbitan pada UNP Press

Penyusun: Dr. Ambiyar, M.Pd

Editor:Tim Editor

Layout : Nasbahry Couto Times New Roman, 11pt

Desain Sampul: Drs. Nasbahry Couto, M.Sn

(5)

v

Kata Pengantar

Buku ini disusun dalam rangka meningkatkan kualitas sumber daya manusia (SDM) DI Indonesia baik bagi mereka yang sudah bekerja maupun yang sedang dalam pendidikan. Upaya peningkatan kualitas SDM harus terus-menerus dilakukan dengan berbagai usaha cara dan pendekatan pendidikan berkelanjutan maupun pendidikan khusus sehinggga menghasilkan SDM, yang mumpuni di era otonomi dan global ini.

Pada dasarnya dari sebuah buku diharapkan memperkaya khasanah pengetahuan sebagai alternatif pilihan bagi mereka yang bergerak di-lapangan, laboatorium, mahasiswa dan profesional dan dapat dijadikan referensi tambahan bagi mereka yang membutuhkannya.

Materi yang dimuat dalam buku ini adalah berkatan dengan ilmu ther-modinamika yang disusun berdasarkan kebutuhan dunia kerja, dunia industri dan dunia pendidikan sekaligus menunjang pengetahuan thermodinamika.

Penulis menyadari akan segala kekurangan dan keterbatasan yang ada, oleh sebab ini diharapkan sumbang saran dari pembaca guna meningkatkan kualitas buku ini. Lebih lanjut diharapkan dapat mem-berikan manfaat yang lebih banyak bagi siswa, mahasiswa maupun mereka yang sudah bekerja.

Ucapan terimakasih yang sangat mendalam disampakan kepada semua pihak yang telah membantu dan mendorong penyelesaian penulisan buku ini terutama kepada pengelola UNP Presss Universitas Negeri Padang yang telah memberikan bimbingan dalam meningkatkan

ke-`Ìi`ÊÜÌÊÌiÊ`iÊÛiÀÃÊvÊ

(6)

vi

mampuan dosen untuk menulis buku di Universitas Negeri Padang. Smoga buku ini bermanfaat bagi para mahasiswa dan pembaca lain-nya.

Wassalam

Padang Juni 2009

Penulis

(7)

vii

Daftar Isi

Kata Pengantar ... v

Daftar Isi ... vii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

A. Pandangan Umum tentang Termodinamika ... 1

B. Sistem, Lingkungan dan Batas ... 2

C. Panas ... 6

D. Kerja ... 8

E. Satuan dan Dimensi... 8

F. Sifat-Sifat Fluida ... 12

Soal-Soal Latihan ... 13

BAB II HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA ... 15

A. Konversi Energi ... 15

B. Kerja Luar (External Work) ... 17

C. Internal Energi ... 24

D. Soal-Soal Latihan ... 28

BAB III UAP DAN SIFAT-SIFATNYA ... 30

A. Sifat-sifat Uap ... 30

B. Energi dalam dari Liquid dan Uap ... 31

C. Tabulasi Sifat-sifat Uap ... 31

D. Sifat-sifat Uap Basah... 32

E. Sifat-sifat Uap Panas Lanjut ... 34

F. Penggunaan Interpolasi pada Tabel... 35

BAB IV GAS DAN SIFAT-SIFATNYA ... 45

A. Gas Sempurna ... 45

B. Hukum-hukum Gas ... 46

C. Persamaan Keadaan Gas Sempurna ... 49

D. Kapasitas Panas Jenis ... 52

E. Hukum Joule ... 54

(8)

viii

G. Enthalpi Gas Sempurna ... 59

H. Perbandingan Panas Jenis ... 60

Soal-soal Latihan ... 64

BAB V PROSES ALIRAN MANTAP ... 68

A. Persamaan Energi Aliran Mantap ... 69

B. Aplikasi Persamaan Energi Aliran Mantap ... 73

C. Persamaan Kontinuitas ... 85

Soal- Soal Latihan ... 90

BAB VI PROSES NON ALIRAN ... 94

A. Persamaan Energi Non Aliran ... 95

B. Aplikasi Persamaan Energi Non Aliran ... 96

C. Proses volume konstan. ... 96

D. Proses tekanan konstan ... 98

E. Proses Adiabatis ... 100

BAB VII HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA ... 107

A. Mesin Termal (Heat Engine) ... 108

B. Pompa Termal (Heat Pump) ... 111

C. Pernyataan Hukum Termodinamika Kedua ... 113

D. Proses Reversibel dan Irreversibel ... 115

E. Siklus Carnot ... 118

Soal-soal Latihan ... 127

BAB VIII ENTROPI UAP DAN GAS ... 129

A. Diagram T – s ... 134

B. Proses Reversibel Pada Diagram T-s ... 144

C. Entropi dan Proses Tak Dapat Dibalik (Irreversibel) ... 161

D. Kemampuan (Availability) ... 172

BAB IX SIKLUS MESIN (ENGINE CYCLE) ... 185

A. Siklus Otto (Motor Bensin) ... 185

B. Tekanan Efektif Motor Bensin ... 189

(9)

ix

D. Kerja Siklus Diesel ... 195

E. Siklus Gabungan ... 197

Soal-Soal Latihan ... 201

Daftar Pustaka... 204

Glosari...205

Indeks ...210

(10)

x

Daftar Gambar

Gambar 1. Sistem Terbuka ... 3

Gambar 2. Sistem Terbuka dengan Batas Sistem Bergerak ... 3

Gambar 3. Sistem Diisolasi dengan Kain ... 4

Gambar 4. Sistem Tertutup ... 5

Gambar 5. Benda A dan B Memiliki Suhu Berbeda ... 7

Gambar 6. Diagram Keadaan Sistem ... 13

Gambar 7. Suatu Proses Konversi Tenaga ... 16

Gambar 8. Kerja yang dilakukan dalam silinder ... 18

Gambar 9. Suatu Instalasi Tenaga Panas ... 19

Gambar 10. Suatu Proses dari Suatu Siklus ... 20

Gambar 11. Diagram P-V untuk Contoh Soal 2-4 ... 22

Gambar 12. Suatu Perubahan dalam Sistem ... 25

Gambar 13. Diagram Temperatur-Spesifik Enthalpi ... 30

Gambar 14. Diagram P – V Untuk Contoh Soal 3 - 4 ... 37

Gambar 15. Diagram P – V untuk contoh soal 3-5 ... 40

Gambar 16. Diagram P - V untuk Hukum Boyle ... 47

Gambar 17. Diagram P – V untuk Hukum Charles ... 48

Gambar 18. Sebuah Silinder dan Piston ... 56

Gambar 19. Proses aliran mantap ... 69

Gambar 20. Ketel uap ... 74

Gambar 21. Kondensor ... 76

Gambar 22. Turbin ... 79

Gambar 23. Kompressor ... 81

(11)

xi

Gambar 24. Pipa Pancar ... 82

Gambar 25. Katup ... 84

Gambar 26. Aliran Gas dalam Pipa ... 86

Gambar 27. Skema Aliran Gas Pada Turbin Gas ... 86

Gambar 28. Skema Aliran Gas Melalui Kompressor ... 88

Gambar 29. Proses Kerja Motor 4 Tak ... 94

Gambar 30. Diagram Proses Volume Konstan ... 96

Gambar 31. Diagram Proses Tekanan Konstan... 98

Gambar 32. Diagram Proses Politropis ... 103

Gambar 33. Mesin Termal ... 108

Gambar 34. Siklus Instalasi Tenaga Uap ... 110

Gambar 35. Siklus Mesin Termal ... 111

Gambar 36. Pompa Termal ... 112

Gambar 37. Proses Irreversibel ... 116

Gambar 38. Proses Reversibel ... 117

Gambar 39. Diagram P – V Siklus Carnot ... 119

Gambar 40. Skema Sebuah Ruang Pengeringan ... 124

Gambar 41. Diagram P-V untuk Proses Isothermal ... 130

Gambar 42. Diagram Proses Reversibel Adiabatis ... 130

Gambar 43. Diagram P-V dan Diagram T-s ... 134

Gambar 44. Diagram T-s Untuk Uap ... 135

Gambar 47. Diagram T-s Untuk Contoh Soal 8-1 ... 139

Gambar 49. Diagram T-s Untuk Gas Sempurna ... 141

Gambar 51. Proses Reversibel Isothermal ... 145

(12)

Gambar 53. Proses Isothermal Untuk Gas Sempurna ... 148

Gambar 56. Diagram T-s Untuk Proses Isentropik ... 153

Gambar 58. Diagram T-s untuk Proses Politropis ... 156

Gambar 60. Diagram T-s Untuk s1>s2 ... 159

Gambar 63. Vessel A dan B ... 163

Gambar 65. Diagram T-s Untuk Proses Ekspansi Adiabatis ... 165

Gambar 66. Diagram T-s Untuk Proses Kompressi Adiabatis ... 166

Gambar 68. Sistem yang Diisolasi ... 169

Gambar 69. Diagram T-s Untuk Proses Irreversibel ... 170

Gambar 70. Siklus Kerja Mesin Pemanas ... 173

Gambar 71. Diagram T-s Untuk Soal 8-13 ... 176

Gambar 72. Siklus Otto. ... 185

Gambar 73 Diagram Aktual P-V Motor Bensin ... 187

Gambar 74. Tekanan Efektif ... 190

Gambar 75. Siklus Diesel ... 194

Gambar 76. Siklus Gabungan... 198

(13)

(14)

Bab I

Pendahuluan

A. Pandangan Umum tentang Termodinamika

emua makhluk hidup membutuhkan energi untuk hidupnya, dan kehidupan modern dapat berlang-sung terus bilamana manusia mampu mengem-bangkan sumber energi sesuai dengan kebutuhan. Energi ter-diri dari bermacam-macam, misalnya yang dimiliki oleh atom sesuatu unsur sampai dengan yang dipancarkan oleh matahari. Dalam batas-batas tersebut termasuk energi kimia yang di kan-dung oleh suatu bahan bakar dan energi potensial yang dimiliki oleh air.

Beberapa proses perubahan energi yang satu menjadi bentuk energi lainnya seperti berikut ini.

1. Massa air yang besar dialirkan melalui suatu turbin dan memutarnya guna menggerakkan generator untuk meng-hasilkan daya listrik.

2. Batu bara dibakar untuk menguapkan air dan kemudian uap digunakan untuk menggerakkan turbin.

3. Minyak dibakar dalam silinder motor bakar mengha silkan tenaga gerak pada porosnya.

4. Atom uranium ditembakkan dan diuraikan menghasilkan panas yang tinggi, dipakai untuk menghasilkan energi listrik.

(15)

Proses perubahan energi tersebut telah berkembang sangat pesatnya sejak instalasi tenaga uap ditemukan oleh James Watt sampai pada bentuk yang sangat komplek dewasa ini.

Termodinamika terapan adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara panas, kerja dan sifat-sifat suatu sistem. Ilmu ini erat hubungannya dengan konversi energi panas dari suatu sumber menjadi kerja mekanik.

Pesawat panas (heat engines) adalah suatu nama yang diberikan pada suatu sistim dengan melalui proses siklus ter-tentu akanmenghasilkan kerja dari pemberian panas. Hukum-hukum termodinamika berisikan hipotesa yang didasarkan pa-da observasi terhapa-dap dunia dimana manusia hidup. Observasi mana menunjukkan bahwa panas dan kerja dua hal yang meru-pakan bentuk energi yang dapat berubah bentuk. Ini merumeru-pakan dasar hukum pertama termodinamika.

Kemudian dinyatakan bahwa panas jarang mengalir dari bertemperatur rendah ke temperatur tinggi. Pernyataan ini menjadi dasar bagi hukum kedua termodinamika, yang menun-jukkan bahwa suatu pesawat panas tak dapat mengubah selu-ruh energi panas menjadi kerja mekanik, akan tetapi selalu ada kerugian atau perpindahan ke benda bertemperatur rendah.

B. Sistem, Lingkungan dan Batas

Dalam mempelajari termodinamika perlu kiranya, kita mendefinisikan beberapa istilah atau konsepsi sebagai berikut:

1. Sistem

(16)

khayal (gambar 1) serta pembukaan yang bergerak (gambar 2). Sistem dapat dibagi menjadi sistem tertutup dan sistem terbuka. Pada sistem terbuka perpindahan massa dan perpindahan energi dari dan kedalam sistem melalui batas sistem dapat berlang-sung. Tidak demikian halnya dengan sistem tertutup. Pada tem tertutup, massa tidak dapat keluar atau masuk kedalam sis-tem, jumlah massa didalam sistem tidak berubah. Energi dapat masuk atau keluar dari sistem.

Gambar 1. Sistem Terbuka

(17)

Selain kedua macam sistem di atas, ada lagi sistem macam ketiga, yaitu sistem diisolasi. Pada sistem diisolasi, jumlah massa dan energi di dalam sistem tidak berubah, selama selang waktu sistem digunakan. Baik massa maupun energi tidak da-pat menembus batas sistem.

Gambar 3. Sistem Diisolasi dengan Kain

Perhatikanlah sebuah teko berisi air seperti ditunjukkan pada gambar 3. Bila teko tersebut dipanaskan beberapa lama, maka akan terlihat adanya uap air yang keluar dari mulutnya. Teko yang dipanaskan ini merupakan sistem yang terbuka, kare-na massa atau uap air dapat keluar dari batas sistem. Sekarang teko tersebut diletakkan di atas meja dan ditutup oleh kain dan meja. Sistem yang baru ini merupakan sistem tertutup. Bila me-ja dianggap isolator sempurna, maka sistem baru ini adalah sis-tem yang diisolasi, karena tidak hanya massa yang tidak dapat keluar melalui batas sistem, melainkan juga energi panas.

(18)

Ini tergantung dari selang waktu penentuan dari sistem tersebut. Untuk selang waktu tertentu dari putaran poros engkol, dimana semua katup dalam keadaan tertutup, maka sistem ini meru-pakan sistem tertutup.

Gambar 4. Sistem Tertutup

Sistem tersebut tidak dapat dinamakan sistem diisolasi, karena energi dapat keluar atau masuk melalui batas sistem. Untuk selang waktu dimana katup isap dan katup buang dalam keadaan terbuka, dimana bahan bakar dan udara mengalir ma-suk melalui katup isap atau keluar melalui katup buang, maka sistem tersebut merupakan sistem terbuka.

2. Ciri Sistem

(19)

berlainan. Dengan kata lain ciri ekstensif hanya tergantung dari waktu.

Selanjutnya ciri intensif adalah ciri yang mempunyai harga tertentu untuk tiap titik dari suatu sistem pada waktu tertentu, misalnya temperatur, tekanan dan sebagainya. Jadi ciri intensif tergantung dari posisinya dalam sistem tersebut pada waktu tertentu. Perhatikan sebatang besi yang dipanaskan salah satu ujungnya. Pada waktu tertentu, suhu dari tiap titik pada batang tadi akan mempunyai harga tertentu.

3. Lingkungan

Daerah yang menutup sistem dinamakan lingkungan (surrounding). Lingkungan dapat dipengaruhi oleh perubahan dalam sistem.

4. Batas sistem

Permukaan yang terpisah antara sistem dan lingkungan dinamakan batas (boundary) sistem. Untuk permukaan yang tetap dan permukaan yang khayal, batas sistem seperti ditunjukkan pada gambar 1, sedangkan untuk permukaan yang bergerak, batas sistem terlihat pada gambar 2. Pada sistem tertutup, flui-da tetap flui-dalam batas sistem, flui-dan sistem terbuka, energi panas, energi kerja, dan fluida dapat menembus batas sistem.

C. Panas

(20)

Gambar 5. Benda A dan B Memiliki Suhu Berbeda

Ketika benda A memiliki temperatur yang lebih rendah dikontakkan dengan benda B yang memiliki temperatur tinggi, maka akan timbul pengaliran panas dari benda B ke benda A sampai keduanya mencapai temperatur yang sama. Dan saat temperatur benda A sama dengan benda B, maka tidak akan terjadi lagi perpindahan panas dan dikatakan keduanya dalam kondisi “thermal equiblibrium” (kesetimbangan panas).

Panas hanya terlihat selama proses itu saja dan merupakan energi yang tidak kekal, karena energi panas mengalir dari benda B ke benda A. Pada hakekatnya akan terjadi penurunan energi di B dan kenaikan di A. Energi yang demikian merupakan fungsi dari temperatur dan tidak boleh salah pengertian dengan panas. Perlu dicatat bahwa panas tidak dapat diisikan kedalam suatu benda.

(21)

D. Kerja

Kerja dapat didefinisikan sebagai hasil suatu gaya dan perpindahan dalam arah gaya tersebut. Apabila suatu batas untuk sistem tertutup bergerak dalam arah gaya yang berkerja padanya, maka sistem ini melakukan kerja pada lingkungan. Jika batas sistem bergerak ke dalam (menyempit), maka kerja yang dilakukan oleh lingkungan. Dengan kata lain, pengem-bangan atau ekspansi merupakan hasil kerja sistem, sedangkan kompressi merupakan kerja yang diberikan kepada sistem.

Perjanjian tanda yang digunakan untuk kerja adalah posi-tif, apabila kerja dipindahkan dari sistem ke lingkungan. Seba-liknya, jika kerja yang dipindahkan dari lingkungan ke dalam sistem maka dinyatakan sebagai negatif. Dengan demikian, kerja selama proses eskpansi adalah positif dan kerja selama proses kompressi adalah negatif.

E. Satuan dan Dimensi

Satuan yang digunakan dalam termodinamika adalah satuan SI (sistem Internasional) yang merupakan sistem koheren. Sistem ini didasarkan pada enam satuan dasar, yakni :

1. Meter standar satuan panjang 2. Kilogram standar satuan massa 3. Detik standar satuan waktu 4. Amper standar satuan arus listrik 5. Kadela standar satuan intensitas cahaya 6. Kelvin standar satuan temperatur

(22)

ruang. Di samping itu, beberapa satuan utama lain yang digunakan dalam sistem SI adalah : kecepatan dalam satuan m/detik, percepatan dalam satuan m/det2, volume dalam satuan m3, volume jenis dalam satuan m3/kg dan sebagainya.

Di bawah ini akan diuraikan mengenai satuan gaya, energi, daya, tekanan, dan temperatur.

1. Satuan Gaya, Energi dan Daya

Hukum Newton dua dapat ditulis sebagai gaya berbanding lurus dengan massa benda dan percepatannya. Un-tuk benda dengan massa konstan dapat ditulis dalam benUn-tuk persamaan :

F = k x m x a dimana :

F = Gaya k = Konstanta m = massa benda a = percepatan benda

dalam satuan sistem koheren SI diambil k =1, sehingga persamaan di atas dapat ditulis menjadi :

F = m x a

Bila satuan massa adalah kilogram dan satuan percepatan adalah m/det2, maka satuan gaya menjadi kg m/det2 atau New-ton.

(23)

energi panas, satuannya Joule. Sebab kerja dan panas merupakan dua bentuk energi.

Selanjutnya satuan daya diturunkan dari satuan kerja dan waktu. Sebab daya adalah usaha per waktu. Bila kerja (usaha) mempunyai satuan Joule dan waktu dalam satuan detik, maka satuan daya adalah Joule per detik, disingkat saja dengan J/det, dimana 1 J/det=1Nm/det=1watt. Dengan demikian, satuan untuk daya adalah Watt. Biasanya daya suatu motor, generator, dan sebagainya dinyatakan dalam faktor kelipatan yang lebih besar, kilo watt atau mega watt. Untuk itulah dalam sistem SI ada faktor kelipatan dan sub kelipatan dengan menggunakan awalan sebagai berikut :

Faktor kelipatan Awalan Simbul Satu Milyar ; 109 Giga G Satu juta ; 106 Mega M

Seribu ; 103 Kilo k

Sepersepuluh ; 10-1 Deci d Seperseratus ; 10-2 Centi c Seperseribu ; 10-3 Milli m Sepersejuta ; 10-6 Micro µ

(24)

2. Satuan Tekanan

Satuan tekanan adalah N/m2 dan biasanya di kenal den-gan pascal (Pa). untuk kebanyakan kasus yang terjadi pada ter-modinamika, maka tekanan ditunjukkan dalam Pa, akan sangat kecil. Satuan yang biasa dipakai adalah bar.

1bar = 105 N/m2 = 105 Pa.

Keuntungan satuan ini adalah karena 1 bar tersebut mendekati tekanan atmosfir (atm). Walaupun tekanan atmosfir standar adalah 1,01325 bar. Sering pula tekanan ditunjukkan sebagai head (tekanan) zat cair, karenanya tekanan atm standar = 1,0132 bar = 76 mm Hg.

3. Satuan temperatur

Dalam termodinamika yang berhubungan dengan mesin-mesin motor yang berkerja, hal ini diperlukan untuk menghi-tung temperatur dari suatu titik dimana gas diperkirakan tidak mempunyai energi. Pada titik ini tidak ada pergerakkan relatif antara molekul-molekul dan gas tidak terjadi perubahan vo-lume. Temperatur yang terjadi dinamakan temperatur absolut (mutlak) dan diperkirakan besarnya 2730 C dan 4600 F.

Temperatur mutlak pada skala Celcius dihubungkan dengan

0

K (derajat Kelvin) dan skala Fahrenheit dihubungkan dengan derajat Rankinne (0R). Temperature normal (nisbi) ditulis dengan t dan temperatur mutlak dengan T. Dengan demikian hubungan antara skala Celcius dengan skala Kelvin dan skala Fahrenheit dengan skala Rankine dapat ditulis dalam bentuk persamaan:

T = 273 + t 0C T = 460 + t 0F

(25)

temperatur mutlak dalam derajat Kelvin. Sementara itu satuan temperatur dalam derajat Fahrenheit dan Rankine digunakan dalam satuan British atau satuan sistem FPS (Feet – Pound – Second System ).

F. Sifat-Sifat Fluida

Sifat dari suatu sistem merupakan karakteristik yang ditentukan dari kondisinya. Pada umumnya dalam termodinami-ka meliputi tetermodinami-kanan, volume dan temperatur. Meskipun banyak sifat yang lain, yang akan dibahas dalam bagian berikutnya. Beberapa sifat itu adalah internal energi (energi dalam), entalpi, dan entropi. Jika dua sifat bebas dari suatu fluida dalam sistem tertutup diketahui, maka keadaan (state) sistem juga diketahui, dan kondisi sistem secara lengkap dapat diuraikan.

Ini sama dengan cara untuk menggambarkan sebuah titik P pada sebuah gambar (diagram) yang mempunyai dua sumbu koordinat, yakni X dan Y. jika koordinat P diketahui, katakan-lah X1 dan Y1, maka posisi P pada diagram secara lengkap

da-pat diuraikan, karenanya jika X1 dan Y1 (yakni titik P )

menen-tukan keadaan suatu sistem pada suatu saat (instant), sedangkan X2 dan Y2 (yakni titik Q) merupakan kondisi pada saat

berikut-nya, maka titik dapat digambarkan pada sebuah diagram seperti ditunjukkan pada gambar 6. Tidak peduli lintasan mana dilalui oleh sistem titik P ke titik Q, lintasan itu dapat dilihat sebesar X2 – X1.

(26)

Dapat dilihat bahwa kerja yang dipindahkan dan panas yang dipindahkan adalah tidak merupakan sifat-sifat, sebab kerja

yang dipindahkan ini

Gambar 6. Diagram Keadaan Sistem

dengan Koordinat P dan Q

ditulis sebagai W2 dikurangi W1 (W2 – W1) atau panas yang

dipindahkan sebagai Q2 – Q1, dalam suatu proses. Malahan

ditulis W12 atau secara sederhana W dan Q12 atau Q.

Soal-Soal Latihan

1. Apa yang dipelajari dalam termodinamika terapan? 2. Jelaskan pengertian dari beberapa istilah dibawah ini :

a) Sistem

b) Sistem terbuka dan sistem tertutup c) Sistem diisolasi

(27)

f) Panas g) Kerja

h) Proses reversibel i) Proses irreversibel

3. Apa yang dimaksud dengan ciri sistem yang intensif, dan eskstensif?. Berikan contoh-contohnya!

4. Keadaan berikut ini, manakah yang menyatakan sifat-sifat suatu fluida : tekanan, temperatur, volume, panas, dan kerja. Berikanlah penjelasan dalam mendukung jawaban anda!

5. Buktikanlah mengapa tekanan atmosfir standar = 1,013 bar!

6. Sebutkanlah kriteria-kriteria dari suatu proses yang dikatakan reversibel.

7. Temperaturuap meninggalkan ketel 4900 F. nyatakanlah temperatur ini dalam derajat Celcius! 8. Temperatur dari sebuah mesin pendingin adalah minus

400F. berapakah temperatur mesin pendingin dalam de-rajat Celcius.

9. Sebuah balon diisi dengan gas helium sehingga balon tersebut makin mengembang. Perhatikanlah balon tersebut sebagai suatu sistem, dimana batas sistem adalah dinding balon dan bagian masuk dari gas helium. Tentukanlah :

a) Sistem apakah ini?

b) Bagaimanakah massa balon?

c) Apakah kecepatan dari gas helium di dalam sistem merupakan ciri dari sistem.

(28)

Bab II

Hukum Pertama

Termodinamika

A. Konversi Energi

onsep energi dan hipotesis yang menyatakan bahwa energi itu dapat berubah bentuk, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan dikembangkan oleh para ilmuan sejak awal abad ke 19 dan menjadi terkenal dengan sebutan The Principle of Conversion of Energi atau Prinsip Konversi Energi. Prinsip konversi energi hukum pertama tentang termodinamika merupakan salah satu pernyataan dari prinsip umum tentang konversi energi dengan dasar energi panas dan energi mekanik (misalnya kerja). Pada abad ke 18, panas dipandang sebagai fluida (daya sebutan kalorik) oleh para ilmuan, dua buah energi, sampai percobaan Joule lebih kurang pada tahun 1840, yang menunjukkan bahwa panas dan kerja merupakan dua hal dapat saling dikonversikan. Sejak itulah panas dipandang sebagai energi.

Perhatikanlah suatu sistem ideal pada gambar 7 a, yang terdiri dari massa m yang dihubungkan dengan sebuah drum dengan bantuan seutas tali. Bila sistem berubah dari keadaan 1 ke keadaan 2, besarnya W = mgh menembus batas sistem dan masuk ke dalam sistem, dimana berubah menjadi energi potensial. Jumlah kerja W akan bertanda negatif, sebab kerja yang dipindahkan dari lngkungan ke dalam sistem. Jika sistem

(29)

kembali ke keadaan awal (jika massa m kembali kebidang 1 secara perlahan dengan menggunakan gaya pada engkol) pe-rubahan pada energi potensial mgh akan diubah menjadi energi kerja W yang kembali dari sistem ke lingkungan menembus batas sistem. Kerja ini akan bertanda positif dan kerja bersih yang dilakukan akan sama dengan nol. Ini dapat ditulis ∑ 8W = 0, dimana ∑ berarti jumlah bagian terkecil dari W yang men-galami perubahan dari keadaan 1 ke keadaan 2 dan kembali ke keadaan 1, menarik untuk dicatat, kita tidak mengatakan bah-wa disimpan pada keadaan 2, tetapi energi yang terdapat pada keadaan 2 adalah besar energi potensial. Karena sistem kem-bali ke keadaan awal setelah mengalami satu seri proses, sistem dikatakan mengalami suatu siklus tertutup.

Gambar 7. Suatu Proses Konversi Tenaga

(30)

dengan sebuah rem ban seperti dalam gambar 7.b. kerja yang dipindahkan sewaktu massa turun akan diubah menjadi energi panas Q oleh rem ban. Jika energi panas Q diukur tepat, untuk massa yang bergerak melalui bermacam-macam ketinggian, kita dapat menentukan nilai kerja yang dipindahkan, yakni berbanding lansung dengan energi panas, yakni W Q atau ∑

W ∑ Q. jika tanda perbandingan diganti dengan tanda

yang setara maka ∑ W = konstanta x ∑ Q. Jika ∑ W =

1 Nm, panas dapat sihitung ∑ Q = 1 Joule, sehingga persamaan menjadi 1 Nm = konstanta x 1 joule, sebab 1 Nm =

1 Joule. Konstanta adalah kesatuan (unity).

Persamaan dapat ditulis ∑ δ W = ∑δQ. Persamaan ini menyatakan satu bentuk dari hukum pertama termodinamika, dan dapat dinyatakan dalam bentuk kata-kata sebagai berikut :

Jika sebuah sistem dalam sebuah siklus tertutup, maka kerja bersih yang dipindahkan berbanding lansung dengan panas bersih yang dipindahkan. Tidak ada bukti matematis ten-tang hukum ini, tetapi semua eksperimen mendukungnya.

B. Kerja Luar

(External Work)

(31)

dW = F . dx dW = p . A dx

sedangkan A . dx = dV

dengan mensubtitusikan dV ke persamaan 1, maka didapatlah persamaan dalam bentuk :

dW = p . dV

dimana dW adalah elemen luas yang diarsir.

Gambar 8. Kerja yang dilakukan dalam silinder

(32)

berkurang atau dV negatif. Jadi sistem akan menerima kerja dari sekelilingnya, bila dV negatif. Hal ini terdapat pada proses kompressi. Secara singkat, pada proses kompressi dV adalah negatif, maka kerja adalah negatif.

Selanjutnya bila sistem berubah dari keadaan 1 ke keadaan 2, maka kerja total yang dilakukan atau diterima oleh sistem:

Bila p konstan, maka kerja total yang dilakukan atau diterima oleh sistem adalah :

W = p (v2 – v1)

Jadi kerja total yang dilakukan atau diterima oleh sistem dengan mengabaikan gesekan antara sistem dan silinder, dan gesekan dalam fluida sendiri adalah sebesar yang tertera pada persamaan 4.

Contoh soal 2.1

Dalam suatu intalasi tenaga panas, turbin menghasilkan daya sebesar 1000 KW. Panas yang diberikan kepada uap dalam ketel sejumlah 2800 kJ/kg,

(33)

Sementara itu panas dilepaskan oleh sistem kepada air pendingin dalam kondensor sebanyak 2100 kJ/kg dan pompa air pengisi (kondensat) membutuhkan kerja sebesar 5 KW. Hitunglah jumlah aliran uap yang mengalir dalam siklus dalam kg/det. Siklus ini ditunjukkan pada gambar 9.

Penyelesaian :

Perhatikanlah gambar 9 di atas. Batas siklus dipandang sebagai pedoman fluida kerja saja.

Q = 2800 – 2100 = 700 kJ/kg.

Misalnya aliran uap tersebut dalam kg/det, sehingga : Q = 700 m kJ/det.

W = 1000 – 5 = 995 kW = 995 kJ/det.

Dari persamaan konversi energi, maka diperoleh :

Q = W

700 m = 995

m = =1,421 kg/det.

Jadi massa uap yang mengalir dalam siklus = 1, 421 kg/det

Contoh soal 2.2

Gambar 10 menunjukkan suatu proses tertentu yang mengalami suatu siklus yang lengkap. Tentukanlah kerja yang dilakukan (Wo).

(34)

Penyelesaian :

Untuk suatu siklus yang lengkap : ∑ Q

-

∑ W = 0

Dimana Qi adalah positif, W0 adalah positif, Q0 adalah

negatif, dan Wi adalah negatif .

∑ Q = Qi – Q0 = 10 – 3 = 7 kJ

∑ W = W0 – 2

∑ Q - ∑ W = 0 7 - W0 + 2 = 0

W0 = 9 kJ

Contoh soal 2.3

Suatu fluida pada tekanan 3 bar mempunyai volume jenis (v) = 0,18 m3/kg, dimasukkan ke dalam silinder yang tertutup, dengan piston diekspansikan secara reversibel sampai tekanan 0,6 bar. Proses mengikuti rumus p = C/v2, dimana C suatu konstanta. Hitunglah kerja yang dilakukan fluida kepada torak.

Penyelesaian :

Kerja yang dilakukan

Dimana p = C/v2,

Sehingga kerja yang dilakukan

W = C

Selajutnya , C = p . v2

= 3 . (0,18)2 = 0,0972 bar (m3/kg)2 dan

(35)

Kerja yang dilakukan = C x (1/v1 – 1/v2)

W = 0,0972 x 105 (1/0,18 – 0,402) Nm/kg W = 29840 Nm/kg.

Contoh soal 2.4

1 kg fluida dimasukkan ke dalam sebuah silinder pada tekanan awal 20 bar. Fluida itu diekspansikan menurut proses reversibel menurut rumus pV2 = konstan sampai volumenya menjadi dua kali lebih besar. Kemudian didinginkan kembali secara reversibel pada tekanan konstan sampai fluida mencapai kondisi awalnya. Kemudian fluida dipanaskan secara reversibel dengan piston tetap pada tempatnya sampai tekanan naik men-capai 20 bar, hitunglah kerja bersih yang dilakukan oleh fluida, apabila volume awalnya adalah 0,05 m3.

Penyelesaian :

Perhatikanlah gambar.

Gambar 11. Diagram P-V untuk Contoh Soal 2-4

p1 . V12 = P2 . V22

(36)

= 20 (1/2)2 = 5 bar

Kerja yang dilakukan pada proses 1-2 adalah W1 = luas 12BA1

=

∫

2

1 pdv

=

∫

2

1 2

/

v

v c v dv

=

dimana C = p1 V12 = 20 x 0,052 = 0,05

V1 = 0,05 m3 ; V2 = 2 V1 = 2 x 0,05 = 0,1 m3

W1 = 105 x 20 x 0,052

= 0,05 x 105 (1/0,1 – 1/0,05) = 50 x 103 Nm

Kerja yang dilakukan oleh fluida dari 2 – 3 adalah W2.

W2 = luas 32BA3

= 105 x 5 (0,05 – 0,1) = - 25 x 103 Nm.

Kerja yang dilakukan dari 3 – 1 adalah sama dengan 0, sebab piston tidak bergerak sehingga tidak terjadi perubahan volume (dV = 0).

W3 = 0

Total kerja yang dibutuhkan oleh fluida selama siklus adalah :

Wtot = W1 + W2 + W3

(37)

C. Internal Energi

Perhatikanlah suatu perubahan dalam sistem dari keadaan 1 ke keadaan 2 dengan lintasan A dan kembali ke keadaan awal 1 dengan lintasan C, sebagai diilustrasikan dalam gambar 12.

Dari hukum pertama termodinamika dapat diperoleh suatu persamaan sebagai berikut ini.

∑

Q - ∑

W = 0 …. 1 atau

Lewat A lewat C lewat A lewat C atau

(38)

Gambar 12. Suatu Perubahan dalam Sistem

Selanjutnya sistem berubah dari keadaan 1 ke keadaan 2 lewat lintasan B dan kembali ke keadaan 1 melalui lintasan C. dengan alas an yang sama, maka :

Lewat B lewat B lewat C lewat C Bandingkan persamaan 3 dan 4, kelihatan bahwa :

karenanya

mempunyai harga yang sama pada lintasan yang dilalui, dari keadaan 1 ke keadaan 2, dan oleh karenanya menyatakan perubahan sifat dari suatu sistem, ditulis dengan U, dan perubahan energi dalam antara 1 dan 2, menghasilkan :

U2 – U1 =

(39)

Energi dalam adalah jumlah seluruh energi yang dimi-liki fluida dan tersimpan dalam dirinya. Molekul suatu fluida dapat dibayangkan dalam keadaan bergerak, karena memiliki energi kinetik yang bergerak linier dan berputar sebagai pen-garuh energi dan getaran atom-atom dalam molekul. Tamba-han lagi, fluida juga memiliki energi potensial yang disebabkan oleh gaya intermolekul. Total energi ini merupakan bentuk dari energt dalam. Bila suatu gas mengembang tanpa ada panas yang diberikan dari suatu tekanan yang tinggi ke tekanan ren-dah disamping piston, maka energi dalam tersebut berguna bagi gas untuk melakukan kerja. Pada kasus ini dalam kenyataannya perubahan energi dalam U2 –U1 sama dengan kerja yang

dilakukan (W). adalah tidak mungkin untuk menentukan harga mutlak dari energi dalam pada suatu keadaan, tetapi ini tidak merupakan suatu kerugian, sebab selalu yang dibutuhkan untuk diketahui hanya perubahan energi dalam U = m . u, dimana m = massa fluida.

Contoh soal 2.5

Suatu sistem melakukan kerja sebesar 500 kNm sedangkan energi panas sebesar 800 kJ dipindahkan ke dalam sistem. Hitunglah perubahan energi dalam dan keadaannya apakah naik atau turun?

Penyelesaian :

U2 – U1 = Q12 - W12

dimana

W12 = + 500.000 Nm = + 500.000 J = 500 kJ

sehingga

U2 – U1 = 800 – 500 = 300 kJ

(40)

Contoh soal 2.6

Pada langkah kompresi sebuah motor, panas yang dilepaskan kepada air pendingin adalah 45 kJ/kg. Hitunglah pe-rubahan energi dalam dari fluida kerja, dan hal itu merupakan pertambahan atau pengurangan.

Penyelesaian

Q = - 45 kJ/kg (tanda negatif adalah panas yang dilepaskan)

W = - 90 kJ/kg (tanda negatif merupakan bentuk kerja input kepada sistem)

Dengan menggunakan rumus persamaan energi dalam di atas, maka diperoleh :

U2 – U1 = Q12 – Q12

= (- 45) – (- 90) = - 45 + 90 = + 45 kJ/kg

Pertambahan energi dalam adalah 45 kJ/kg.

Contoh soal 2.7

Dalam silinder motor, udara yang terkompresi memiliki energi dalam 420 kJ/kg pada awal ekspansi dan energi dalam 200 kJ/kg di akhir ekspansi. Hitunglah jumlah panas yang mengalir keluar atau masuk silinder apabila kerja yang dilakukan oleh udara selama ekspansi adalah 100 kJ/kg. Penye-lesian :

Dengan menggunakan rumus persamaan energi dalam di atas, maka akan diperoleh :

U2 – U1 = Q12 – W12

(200 – 420) = Q12 – 100

- 220 = Q12 – 100

(41)

Q12 = - 120 kJ/kg.

Jadi panas yang dilepaskan oleh udara sebanyak 120 kJ/kg.

D. Soal-Soal Latihan

1. Sebuah sistem bekerja secara siklus sempurna. Panas yang dibutuhkan sistem 800kJ dan yang dikeluarkan 550 kJ. Pada dua titik, kerja yang dilakukan sistem 96 kNm dan 20 kNm. Pada titik ke tiga ada kerja yang dipindahkan.Tentukanlah jumlah kerja yang dilakukan dan keadaannya, apakah kerja dilakukan oleh sistem atau pada sistem.

(Kunci : 134 kNm, dan kerja dilakukan oleh sistem). 2. Sebuah sistem dynamometer menyerap 89,5 kW selama

percobaan pada sebuah mesin. Panas dalam dinamometer didinginkan dengan air pendingin. Setelah kondisi mantap, tentukanlah jumlah air pendingin yang mengalir untuk menaikkan suhu 17 0C, kapasitas panas jenis untuk air = 4,2 kJ/kg 0C.

(Kunci : 75 kg/menit). 3. Sebuah kipas angin (fan) berputar dalam sebuah ruangan

tertutup. Pada suatu titik energi kinetiknya 678 kJ. Daya dari kipas angin berkurang dan putaran kipas berangsur-angsur turun. Diperkirakan panas yang hilang dari ruangan (chamber) selama kipas berputar adalah 50 kJ. Tentukalah perubahan energi dalam dari ruangan.

(Kunci : 628 kJ) 4. Pada sebuah motor bensin diperlukan energi untuk air pendingin

(42)

kJ/menit dan jumlah bahan bakar bensin yang diperlukan per jam jika panas yang ditimbulkan oleh setiap kg bensin adalah 419000kJ. Gambarlah sebuah diagram dari mesin yang menunjukkan aliran energi.

(Kunci : 2046 kJ/menit; 2,75 kg/h 5. Dalam langkah kompresi suatu pesawat, kerja yang

diberikan kepada gas oleh torak adalah 70 kJ/kg dan panas yang dibuang kepada air pendingin adalah 42 kJ/kg. Hitunglah perubahan energy dalam dan sebutkan energi ini merupakan penerimaan atau pembuangan.

(Kunci : 28 kJ/kg ; penerimaan) 6. Jika tekanan di samping sebuah piston tetap konstan sebesar

690 kN/m2, sedangkan volume naik dari 0,003 m3 sampai 0,024 m3 dan panas sebesar 6 kJ dipancarkan dari dinding silinder, hitunglah perubahan energi dalam.

(Kunci : - 20,5 kJ 7. Sejumlah massa gas dengan energi dalam 1500 kJ

di-masukkan ke dalam silinder yang mempunyai isolasi panas yang sempurna. Gas diekspansikan dibawah torak sampai energi dalamnya menjadi 1400 kJ. Hitunglah kerja yang di-lakukan gas. Apabila ekspansinya mengikuti rumus pV2 = konstan, dan tekanan dan volume awalnya 28 bar dan 0,06 m3, hitunglah tekanan dan volume akhirnya.

(Kunci : 100 kJ ; 4,59 bar ; 0,148m3) 8. Gas dalam silinder motor bakar mempunyai energi dalam

800 kJ/kg dan volume spesifik 0,06 m3/kg pada awal ekspansi. Ekspansi ini merupakan proses reversibel dengan pV1,5 = konstan, dari 55 bar menjadi 1,4 bar. Energi dalam setelah ekspansi 230 kJ/kg. hitunglah panas yang terbuang kepada air pendingin tiap kg gas selama langkah ekspansi.

(43)

Bab III

Uap Dan Sifat-Sifatnya

alam bagian ini akan diuraikan mengenai sifat-sifat uap, energi dalam dari liquid dan uap, tabulasi sifat-sifat uap, sifat-sifat uap basah dan sifat uap panas lanjut.

A. Sifat-sifat Uap

Selama perubahan phase dari cair ke uap, maka liquid berada dalam kesetimbangan dengan uap, dan dapat dilihat dari gambar 1, bahwa tekanan dan temperatur tidak cukup lengkap untuk menentukan keadaan campuran, sebab semua titik antara b dan c mempunyai tekanan dan temperatur yang sama. Untuk menentukan posisi yang tepat dari suatu keadaan dalam daerah ini, maka faktor kekeringan (dryness fraction) digunakan.

Gambar 13. Diagram Temperatur-Spesifik Enthalpi

(Sumber : T. H. Thomas, 1979:49)

(44)

Faktor kekeringan didefinisikan sebagai massa uap jenuh dalam satuan massa dari campuran, dan secara umum di-tulis dengan x. Dengan demikian untuk cairan jenuh (saturated liquid) x = 1, dan untuk kondisi dua keadaan nilai x terletak an-tara 0 dan 1 (T. H. Thomas, 1979:49).

B. Energi dalam dari Liquid dan Uap

Enthalpi (h) dari liquid diperoleh dangan persamaan (Sulaiman Kamil, 1983:15) :

h = u + p v

dimana energi dalam dari liquid dan uap dapat dinyatakan dengan : u = h – p v

C. Tabulasi Sifat-sifat Uap

Walaupun mungkin untuk memperoleh beberapa sifat dari dua sifat lainnya, hubungan ini sukar dan membutuhkan amat banyak data empiris. Agar dapat menghitung, maka sifat-sifat telah ditabulasikan sebagai fungsi dari tekanan dan temperatur, dan dalam kasus air dan uap telah dipublikasikan sebagai tabel uap. Suatu daftar sifat-sifat uap ditabulasikan berikut ini, dan simbol yang digunakan telah diakui oleh

British Standard Specification.

Simbol Satuan Diskripsi

p bar Tekanan absolut dari fluida t °C Temperatur

hf kJ/kg Spesifik enthalpi dari cairan jenuh

hg kJ/kg Spesifik enthalpi dari uap jenuh

hfg kJ/kg Perubahan spesifik enthalpi selama

penguapan

(45)

vg m3/kg Volume jenis dari uap jenuh

uf kJ/kg Energi dalam spesifik dari cairan

jenuh

ug kJ/kg Energi dalam spesifik dari uap jenuh

Harga dari spesifik entropi dari cairan jenuh sf dan uap

jenuh sg juga ditabulasikan. Guna dan nilai dari sfat-sifat uap

ini akan ditunjukkan kemudian.

Acuan untuk tabel uap diambil pada 0°C dan tekanan 0,0061 bar. Pada titik ini volume jenis cairan jenuh adalah 0,00100 m3/kg, dan spesifik enthalpi dari cairan jenuh adalah nol. Oleh karenanya pada titik ini :

uf = hf − p vf

= 0 – 0,0061 bar x 105 x 0,001 m3/kg

= − 0,61 Nm/kg = −0,61 J/kg

= − 0,00061 kJ/kg

Untuk lebih praktisnya ini diabaikan, karena kecil dan nilai uf pada acuan umumnya diambil sama dengan nol.

D. Sifat-sifat Uap Basah

(46)

dari uap basah hx akan sama dengan enthalpi x kg uap jenuh

ditambah enthalpi (1 – x) kg cairan jenuh (T.H. Thomas, 1979:51) :

hx = x hg + (1 – x) hf

hx = x hg + hf − x hf = hf + x (hg – hf)

= hf + x hfg

Dengan cara yang sama (T.H. Thomas, 1979:51) : ux = x ug + (1 – x) uf

ux = uf + x (ug− uf)

dan vx= x vg + (1 – x) vf

Contoh Soal 3-1

Sebuah silinder berisi 0,113 m3 uap pada tekanan 11 bar. Jika massa uap adalah 0,9 kg, hitunglah faktor kekeringan, enthalpi, dan energi dalam. Dari tabel diketahui :

P t vg uf ug hf hfg hg

11 184,1 0,1774 780 2586 781 2000 2781

Penyelesaian :

a. Volume 1 kg uap jenuh pada tekanan 11 bar = 0,1774 m3 = vg

Volume 1 kg uap pada kondisi ini

= = 0,1256 m3 = vx

karenanya,

vx = (1− x) vf + x vg

0,1256 = (1− x) 0,0010 + x. 0,1774

(47)

b. Spesifik enthalpi dari uap pada tekanan 11 bar dengan faktor kekeringan 0,707 adalah :

hx = (1− x) hf + x hg

hx = (1− 0,707) x 781 + 0,707 x 2781

= 228,8 + 1966,2 = 2195 kJ/kg

Enthalpi dari 0,9 kg uap pada tekanan 11 bar dan faktor kekeringan 0,9 didapatkan:

= 2195 kJ/kg x 0,9 kg =1975,5 kJ

c. Energi dalam spesifik dari uap pada tekanan 11 bar dan faktor kekeringan 0,707 adalah :

ux = (1 – x) uf + x ug

= (1 – 0,707) x 780 + (0,707 x 2586) = 228,8 + 1828,2

= 2056,8 kJ/kg

Energi dalam dari 0,9 kg uap pada tekanan 11 bar dan faktor kekeringan 0,707

= 2056,8 kJ/kg x 0,9 kg = 1851,1 kJ

E. Sifat-sifat Uap Panas Lanjut

Besaran dari sifat-sifat uap panas lanjut biasanya didaftar dalam tabel terpisah dengan besaran uap jenuh untuk tekanan dan temperatur. Volume jenis dari uap panas lanjut sering dihilangkan dari tabel. Ini dapat dihitung dari hubungan:

v =

(48)

Hitunglah derajat uap panas lanjut,dan energi dalam spesifik pada tekanan 30 bar dan suhu 300 °C. Dari tabel diketahui :

P tsat t V h

30 233,8 300 0.0812 29955

Penyelesaian :

Temperatur uap sebenarnya = 300 °C

Temperatur jenuh pada tekanan 30 bar = 233,8 °C Derajat uap panas lanjut = 300 – 233,8 = 66,2 °C Spesifik enthalpi pada tekanan 30 bar dan suhu 300 °C = h = kJ/kg.

Spesifik volume (volume jenis) pada tekanan 30 bar dan suhu

300 °C = v = 0,0812 m3/kg.

Energi dalam spesifik (u) : u = h – p v

u = 2995 – 30 bar x 105 x 0,0812 m3/kg

u = 2995 – 243,6 u = 2751,4 kJ/kg

F. Penggunaan Interpolasi pada Tabel

(49)

selan-jutnya diperoleh dengan perbandingan besaran dengan yang ada di tabel. Contoh berikut ini menunjukan proses interpolasi. Contoh soal 3-3

Uap pada tekanan 15 bar mempunyai volume jenis 0,2 m3/kg. Hitunglah temperatur uap, spesifik enthalpi, dan energi dalam spesifik. Dari tabel diketahui :

t 350 °C 400 °C

Kenaikan temperatur di atas 350 °C =

0164 sampai 400 °C menghasilkan suatu kenaikan spesifik ethalpi 3256 – 3148 =108 kJ/kg.

Kenaikan suhu sebesar 41,3 °C menghasilkan kenaikan spesifik enthalpi sebesar,

Spesifik enthalpi uap = 3148 + 89,2 = 3237,2 kJ/kg Energi dalam spesifik (u)

(50)

u = 3237,2 – 15 bar x 105

bar m N/ 2

x 0,2 m3/kg

u = 3237,2 – 300 kJ/kg u = 2937,2 kJ/kg Contoh soal 3-4

0,2 m3 uap berada dalam sebuah silinder pada tekanan 10 bar dan suhu 232 °C. jika 800 kJ energi panas mengalir dari uap ke lingkungan sementara tekanan uap tetap konstan, maka tentukanlah:

a. Kondisi akhir uap (x)

b. Energi kerja yang dipindahkan (w)

c. Perubahan energi dalam selama proses (u2 – u1)

Penyelesaian:

Gambar 14. Diagram P – V Untuk Contoh Soal 3 - 4

Oleh karena massa uap dalam silinder tidak diketahui, maka massa uap harus dihitung. Pada titik 1, tekanan 10 bar dan suhu 232 °C, uap adalah uap panas lanjut.

Dari tabel uap panas lanjut:

(51)

Untuk proses tekanan konstan, energi panas yang dipindahkan sama dengan perubahan enthalpi. Dari tabel uap panas lanjut : h1 = 2902,6 kJ/kg

hg, maka uap adalah uap basah. Apabila faktor kekeringan

pada titik 2 = x, maka :

(52)

b. Energi kerja yang dipindahkan (W)

Untuk proses tekanan konstan, energi kerja yang dipindahkan didapat dengan persamaan:

W = P (V2 – V1)

Pada keadaan 1, V1 = 0,2 m3,

Pada keadaan 2, volume jenis uap dengan faktor kekeringan (x) = 0,618 pada tekanan 10 bar adalah

Vx = (1 – x) vf + x vg

= (1 – 0,618) x 0,001 + (0,618 x 0,1944) = 0,0004 + 0,1200

= 0,1204 m3/kg

Volume akhir uap = V2= m v2

= 0,897 kg x 0,1204 m3/kg = 0,1008 m3

W = P (V2 – V1)

= 10 bar x 105 x (0,1008 – 0,2) m3

= −99,2 kJ

Jadi energi kerja yang dipindahkan (W) = −99,2 kJ

c. Perubahan energi dalam selama proses (u2 – u1)

Dari persamaan energi non aliran didapat : Q – W = u2 – u1

−800 – (− 99,2) = u2 – u1

u2 – u1 = − 700,8 kJ

Jadi energi dalam uap turun sebesar 700,8 kJ

Contoh soal 3-5

1 kg uap pada tekanan 20 bar dan suhu 230 °C mengalami proses non aliran sampai tekanan 8 bar. Jika volume akhir uap 0,242 m3, maka tentukanlah:

(53)

b. Energi kerja yang dipindahkan c. Temperatur akhir uap

d. Perubahan energi dalam

e. Energi panas yang dipindahkan f. Perubahan enthalpi

Penyelesaian:

Dari tabel uap panas lanjut pada tekanan 20 bar dan suhu 230 °C didapat volume jenis uap = 0,1052 m3/kg = v1

Gambar 15. Diagram P – V untuk contoh soal 3-5

a. Persamaan proses

Asumsikan proses mengikuti hukum PVn = konstan

b. Energi kerja yang dipindahkan

W =

(54)

W = Nm atau J

W = 168 kJ

Energi kerja yang dipindahkan (W) = 168 kJ

c. Temperatur akhir uap

Volume akhir 1 kg uap = 0,242 m3

Dari tabel uap jenuh, volume jenis uap jenuh pada tekanan 8 bar = 0.2043 m3/kg. Oleh karena ini lebih kecil dari volume jenis akhir yang sebenarnya dari uap, maka uap pada tekanan 2 harus uap panas lanjut. Temperatur uap pada keadaan 2 dapat diperoleh dengan interpolasi dari tabel uap sebagai berikut :

Dari tabel uap jenuh volume jenis 0,242 m3/kg didapat dengan :

= 170,4 + (200 – 170,4) x

d. Perubahan energi dalam

(55)

dari tabel yang ada. Energi ini dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan untuk enthalpi.

h = u + p v Pada keadaan 1,

p = 20 bar, t = 230 °C, dan v = 0,1052 m3/kg. Dari tabel uap panas lanjut, h1 = 2842 kJ/kg.

u = h1 – p1 v1

= 2842 – 20 bar x 10 5

x 0,1052 m3/kg

= 2842 kJ/kg – 210,4 kJ/kg = 2637,8 kJ/kg

Pada keadaan 2,

p = 8 bar, t = 172,8 °C,dan v = 0,242 m3/kg

h2 dapat diperoleh dengan interpolasi dari tabel

uap panas lanjut atau alternatif dengan menggunakan persamaan:

pv =

Dalam persamaan ini, p adalah tekanan dalam bar,v adalah volume jenis dalam m3/kg dan h adalah spesifik enthalpi dalam kJ/kg.

p2v2 =

100 x 8 x 0,242 = 0,233 (h2 – 1943)

h2 = 832 + 1943 = 2775 kJ/kg

u2 = h2 – p2 v2

= 2775 kJ/kg – 8 bar x 105 x 0,242 m3/kg

= 2775 kJ/kg – 193,6 kJ/kg = 2581,4 kJ/kg

Perubahan energi dalam = u2 – u1

(56)

= − 56,4 kJ/kg e. Energi panas yang dipindahkan

Energi panas yang dipindahkan dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan non aliran

Q – W = u2 – u1

Q – 168 kJ/kg = – 56,4 kJ/kg Q = 168 – 56,4 = +111,6 kJ/kg

Jadi sebesar 111,6 kJ/kg dipindahkan selama proses.

f. Perubahan enthalpi Dari d diperoleh :

h1 = 2842,2 kJ/kg

h2 = 2775 kJ/kg

Perubahan enthalpi = h2 – h1

= 2775 – 2842,2 = – 73,2 kJ/kg

Jadi perubahan enthalpi (h2 – h1) sebesar −73,2 kJ/kg.

Soal-soal Latihan

1. Uap dengan tekanan 3 bar mempunyai faktor kekeringan 0,8. Hitunglah volume jenis, spesifik enthalpi, dan energi dalam spesifik.

(Kunci : 0,4848 m3/kg ; 2292,2 kJ/kg ; 2147,4 kJ/kg) 2. Sebuah silinder berisi 0,34 kg uap dengan tekanan 10 bar.

Jika volume silinder 0,05 m3. Hitungkah faktor kekeringan dari uap, energi dalam, dan enthalpi.

(Kunci : 0,755 ; 726 kJ ;776 kJ)

3. Hitunglah volume, enthalpi, dan energi dalam dari dua kg uap pada tekanan 15 bar dan suhu 500 °C.

(Kunci : 0,4702 ;6946 kJ ; 6240 kJ)

(57)

dilakukan pendinginan sampai tekanan 2,8 bar, hitunglah massa uap dalam silinder, faktor kekeringan akhir, dan energi panas yang dipindahkan.

(Kunci : 0,784 kg ; 0,333 ; −405 kJ)

5. Hitunglah energi panas yang dibutuhkan untuk merubah 100 kg air pada tekanan 1,5 bar dan suhu 15 °C menjadi uap pada suhu 150 °C selama proses tekanan konstan.

(Kunci : 271000 kJ)

6. Sebuah silinder berisi 0,5m3 uap pada tekanan 4 bar dan suhu 200 °C. jika uap didinginkan pada tekanan konstan sampai volume menjadi 0,1 m3, hitunglah faktor kekeringan akhir, energi kerja yang dipindahkan, dan energi panas yang dipindahkan.

(Kunci : 0,23 ; − 160 kJ ; −1335 kJ)

7. 1 kg uap dengan faktor kekeringan 0,8 pada tekanan 9 bar mengembang secara proses politropis non aliran mengikuti hukum PV1,1 = konstan sampai tekanan menjadi 3 bar. Hitunglah faktor kekeringan akhir, energi kerja yang dipindahkan.

(Kunci : 0,772 ; +144,9 kJ ; + 56,7 kJ)

8. 0,1 m3 uap pada tekanan 14 bar mempunyai faktor kekeringan 0,9, mengalami proses volume konstan sampai takanan menjadi 5,7 bar.

Tentukanlah : a. Massa uap

b. Faktor kekeringan akhir c. Perubahan energi dalam d. Perubahan enthalpi

e. Energi panas yang dipindahkan selama proses dan arah alirannya.

(58)

Daftar Pustaka

Anwari. (1978). Sistem Satuan Internasional (SI). Jakarta:

Depdikbud.

Arismunandar, Wiranto (1986). Thermodinamika Teknik.

Bandung: ITB Bandung.

Eastop, T.D, dan A. Mc.Conkey (1978). Applied

Thermodynamics for Engineering Techonolist. Logman: Group Limited.

Granet, Living (1980). Thermodynamics and Heat Power,

Virginia: Reston Publishing Company, Inc

Kamil, Sulaiman dan Pawito (1983). Thermodinamika dan

Perpindahan Panas 1. Jakarta: Depdikbud.

S. Nainggolan, Werlin (1978). Thermodinamika, Teori – Soal,

Penyelesaian. Bandung: Armico.

Theraja, B.L (1984). Element of Electrical and Mechanical

Engineering. New Delhi: S.Chand & Company Ltd.

Thomas, T.H dan R.Hunt. (1979). Applied Heat. London:

(59)

Glosari

• CNC : Computer Numerically Controolled • Compressor: Alat pembangkit tekanan fluida.

• Cutter : Pisau penyayat benda kerja.

• Daya: Usaha persatuan waktu.

• Dielektrik: zat yang dapat digunakan untuk memperbesar kapasitansi kapasitor

• Dimensi: Salah satu bentuk deskripsi suatu besaran.

• Energi Kinetik: Energi yang dimiliki oleh suatu benda

• Feeding : Kecepatan asutan dalam pemakanan benda kerja

• G Code : Kode instruksi dalam pemrograman mesin CNC

• Gaya aksi: Gaya yang diberikan oleh benda pertama kepada benda kedua.

• Gaya Merupakan besaran vektor yang mempunyai nilai besar dan arah, misalnya berat mempunyai nilai 10 m/s2 arahnya menuju kepusat bumi.

• Gaya reaksi: Gaya yang diberikan benda kedua sebagai akibat adanya gaya oleh benda pertama, yang mempunyai besar sama dengan gaya aksi tetapi arahnya berlawanan.

• Gaya: Suatu tarikan atau dorongan yang dapat

mengakibatkan perubahan bentuk dan arah gerak pada suatu benda.

• Gerak jatuh bebas: Gerak suatu benda yang dijatuhkan dari suatu ketinggian tanpa kecepatan awal

• Gerak lurus beraturan: Gerak benda pada garis lurus yang pada selang waktu sama akan menempuh jarak yang sama.

(60)

• Gerak melingkar beraturan Gerak yang lintasannya melingkar dengan kelajuan konstan.

• Gerak vertical: Gerak suatu benda pada arah vertikal terhadap tanah, yang selama geraknya benda itu dipengaruhi oleh gaya gravitasi bumi.

• Gerak vertikal ke atas: Gerak benda yang dilempar vertikal ke atas dengan kecepatan awal tertentu. Pada kasus gerak vertical ke atas terdapat dua kejadian yaitu gerak vertical naik dan gerak vertikal turun.

• Gerak vertikal ke bawah: Gerak benda yang dilempar vertikal ke bawah dengan kecepatan awal tertentu

• Gradien: Kemiringan suatu garis/kurva

• Griffer : Lengan robot untuk mengambil material

• Hydrolik : Fluida untuk meneruskan tenaga

• Impuls: Perubahan momentum yang dialami benda.

• Inkremental : Pengukuran berdasarkan pada perubahan panjang lintasan

• Jarak: Panjang lintasan sesungguhnya yang ditempuh oleh suatu benda dalam waktu tertentu, dan tidak

bergantung pada arah sehingga jarak selalu memiliki tanda positif (+).

• Joule: Satuan energi dalam MKS atau SI.

• Kapasitor: piranti elektronik yang terbuat dari dua buah bahan konduktor dan berfungsi untuk menyimpan energi.

• Katup: Alat pengatur arah, tekanan maupun kecepatan fluida dari sistem.

• Kecepatan derip merupakan nilai laju total perjalanan muatan di dalam suatu bahan atau materi.

• Kecepatan linier: Kecepatan gerak melingkar yang arahnya selalu tegak lurus jari-jari lingkaran.

• Kecepatan sudut: Perpindahan sudut persatuan waktu

(61)

• Kelembaman: Mempertahankan dalam keadaan semula baik dalam keadaan bergerak maupun diam.

• Koefisien gesek: Perbandingan antara gaya gesek dengan gaya normal.

• Koefisien Restitusi: Ukuran Kelentingan atau elastisitas suatu

• Kuadran: Daerah pada sumbu koordinat yaitu di atas sumbu x positif dan di sebelah kanan sumbu y positif.Titik berurutan yang dilalui suatu benda yang bergerak.

• Ladder Logic: Diagram tangga yang digunakan dalam PLC.

• Massa benda: Jumlah materi yang terkandung dalam suatu benda.

• Massa: Jumlah materi yang dikandung suatu benda.

• Medan Listrik: Besar Medan Listrik disuatu titik P didefinisikan sebagai besar gaya listrik per satuan muatan di titik P tersebut.

• Memory : Penyimpan data dalam computer.

• Mikrometer sekrup: Alat ukur panjang dengan nonius putar, umumnyavmemiliki ketelitian hingga 0,01 mm.

• Momentum: Ukuran kesukaran untuk memberhentikan suatu benda yang sedang bergerak.

• N Code : Kode kalim at dalam pemrograman mesin CNC

• Newton (N): Satuan SI untuk gaya.

• Nonius: Skala tambahan yang membagi skala utama menjadi nilai/kuantitas lebih kecil.

• Pengukuran: Kegiatan membandingkan suatu besaran dengan besaran lain sejenis yang digunakan sebagai satuan.

• Percepatan sentrifugal: Percepatan yang dihasilkan adanya gaya sentrifugal.

(62)

• Percepatan: Merupakan vektor yang dapat menyebabkan kecepatan berubah seiring perubahan waktu.

• Percepatan: Penambahan kecepatan per satuan waktu.

• Perlambatan: Pengurangan kecepatan per satuan waktu.

• Perpindahan: Perubahan kedudukan awal dan akhir suatu benda karena adanya perubahan waktu dan tidak bergantung pada jalan mana yang ditempuh oleh benda.

• Perpindahan: Perubahan kedudukan suatu benda karena mendapat pengaruh gaya.

• Pewaktu ketik (ticker timer): Alat yang dapat digunakan untuk menentukan kelajuan sesaat dan percepatan suatu benda yang bergerak.

• Pk: Satuan daya kuda.

• PLC : Programmable Logic Controlled

• Pneumatik : Ilmu tentang pemanfaatan udara bertekanan

• Polar : Pengukuran berdasarkan pada perubahan besar sudut lintasan

• Power Supply: Catu daya

• Presisi: Berkaitan dengan ketelitian, pengukuran yang mengandung ketidak pastian kecil.

• Processor: Pusat pengolah semua masukan dari sesnsor untuk disalurkan pada output.

• Resistansi merupakan sifat intrinsik suatu bahan yang memberikan hambatan terha-dap aliran muatan listrik di dalam suatu bahwa atau materi.

• Resistivitas merupakan sifat suatu bahwa untuk mem-berikan hambatan terhadap laju aliran muatan listrik di dalam suatu bahwa. Resis-tivitas merupakan sifat intrin-sik yang tidak bergantung pada ukuran dan berat benda.

(63)

Sehingga energi listrik tersebut tidak dapat dipulihkan menjadi energi listrik kembali secara langsung.

• Sekon: Satuan SI untuk waktu.

• Selenoida : Kumparan kawat yang dapat dialiri listrik.

• Sensor : Masukan ke dalam sistem atau sinyal

• SI Sistem Internasional: sistem satuan yang berbasis sistem metrik.

• Skala terkecil: Skala pada alat ukur yang nilainya paling kecil, dibatasi oleh dua garis skala yang paling dekat.

• Stopwatch: Alat pengukur waktu.

• Termometer: Alat pengukur temperatur.

• Titik acuan: Titik pangkal pengukuran.

• Usaha: Hasil kali besar perpindahan dengan komponen gayayang sejajar dengan perpindahan benda.

• Waktu: Selang antara dua kejadian atau peristiwa.

(64)

Indeks

Adiabatis, viii, xi, xii, 100, 130, 165, 166

air pendingin, 20, 27, 28, 29, 78, 90, 110

aliran energi, 29

(65)

Energi Non Aliran, viii, 95, 96

Enthalpi Gas, viii, 60 entropi, 5, 12, 32, 108, 129,

Entropi, viii, 129, 135, 161, 168

faktor kekeringan, 30, 32, 33, 34, 38, 39, 43, 44, 135,

Internal Energi, vii, 24 Interpolasi, vii, 35

Irreversibel, viii, xi, xii, 115, 116, 161, 170

James Watt, 2

jarak perpindahan, 9, 17 Joule, 9, 10, 15, 17, 46, 60,

(66)

katup buang, 4, 5 katup isap, 4, 5, 94 Keadaan Sistem, x, 13 Keadaan Gas, vii, 49

Kerja, vii, ix, x, xi, xii, 8, 14,

kerja total, 19, 173 kipas angin, 28 Konversi Energi, vii, 15 Konversi Tenaga, x, 16 Lingkungan, 6, 13

Mesin Termal, viii, xi, 108, 111

Meter standar, 8

Minyak, 1

motor bensin, 28, 186, 190, 192

Motor Bensin, viii, xii, 185, 187, 189

Nainggolan, 45, 49, 50, 114, 204

perubahan energi, 26, 28, 56, 79, 93, 95, 96, 97, 104, 105, 106

Perubahan enthalpi, 40, 43, 44, 196

perubahan volume, 11, 23 piston, 4, 17, 21, 22, 23, 26,

29, 55, 56, 94, 96, 98, 116, 117, 118, 119, 149, 151, 157, 172, 173, 181, 182, 185, 186

(67)

poros engkol, 5, 187

proses aliran mantap, 68, 69 proses eskpansi, 8

Proses irreversibel, 14, 170 proses kompressi, 8, 19, 105,

119, 120

Proses reversibel, 14, 117 Rankine, 11, 12

Reversibel, viii, xi, 115, 117, 130, 144, 145, 150, 153 Ruang Pengeringan, xi, 124 Satuan, vii, 8, 9, 11, 31, 204,

207, 208, 209 satuan British, 12 satuan radian, 8

saturated liquid, 31 Sifat Fluida, vii, 12 sifat gas, 45

Siklus Diesel., viii, 193 Siklus Otto, viii, xii, 185 silinder, x, 1, 18, 19, 21, 22,

silinder motor, 1, 27, 29, 118 sistem diisolasi, 4, 5

Sistem diisolasi, 13 Sistem Diisolasi, x, 4 sistem Internasional, 8 Sistem terbuka, 13

sistem tertutup, 3, 4, 6, 8, 12, 13, 68, 108

Sistem, Lingkungan, vii, 2

surrounding, 6, 171 tabel uap, 31, 41, 138 tekanan atmosfir, 11, 64, 174,

187

Tekanan Efektif, viii, xii, 189, 190

(68)

Termodinamika, vii, viii, 1, 2,

15, 107, 113

thermal equiblibrium, 7 turbin, 1, 19, 68, 78, 79, 80, Volume Konstan, xi, 96 volume konstan., viii, 49, 53,

96, 97, 141, 142, 185 watt, 10, 124, 193